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1、镁渣综合利用及其高附加值应用的可行性报告南京工业大学2010年1月1 项目背景 镁渣是冶炼金属镁时产生的以硅酸盐矿物为主要成分的工业废渣。我国具有丰富的镁资源，原镁产能、产量和出口均居世界首位，国际市场上超过50%的原镁由我国提供。近年来，随着我国硅热法炼镁的迅猛发展，镁还原渣(简称镁渣)的产量越来越多，硅热法炼镁，以目前的生产工艺和普遍的白云石矿物组成情况，每生产一吨镁将会产生大概6-7吨的镁还原废渣，也就是说，我国每年产生了超过500万吨镁还原废渣。如此大量的镁渣如果得不到有效利用，不仅是对资源的浪费，而且占用了宝贵的土地资源，且堆放的镁渣在雨水淋洗下，氟的溶出严重恶化周边生态环境。大量排
2、放的镁废渣已成为影响和制约镁行业发展的瓶颈，因此按照建设资源节约型和环境友好型社会的要求，以及发展循环经济的理念，寻求一条消化利用镁渣的有效途径，成为冶炼金属镁行业实现可持续发展和做强做大战略的重中之重。近年来，我国已有部分研究人员对镁渣的处理和应用进行了研究和报道，但均集中在水泥生产的研究方面，先后对镁渣作为钙质原料在水泥中的应用以及镁渣作为混合材在水泥中的应用进行了研究，对利用镁渣制备建筑砌块的研究也有相关报道，但还不够深入、透彻；国外对镁渣的利用研究寥寥无几。为加快综合利用镁渣的进程，提高镁渣的利用规模，本项目立据于镁渣的特性，对镁渣的基本物化性能进行总结整理，力图从镁渣的体积膨胀性及膨
3、胀滞后性进行专题研究，为其在建筑材料以及作为脱硫剂在生产中的应用提供理论基础。2 镁渣的基本物化特性2.1 镁渣的产生 金属镁的生产方法有两大类，即氯化熔盐电解法和热还原法（皮江法、硅热法）。当前，西方发达国家已基木不进行对环境影响较大的原镁的生产，而进行具有优良特性的镁合金的研究与开发。现有的金属镁生产也是采用电解法工艺，而在我国几乎全部采用皮江法炼镁生产。皮江法炼镁的原理：硅（一般用75%Si2O7合金）在高温（1100-1250）和真空（13.3Pa-133.3Pa）条件下，还原白云石中的氧化镁，制得金属镁。皮江法在我国是上世纪70年代研究成功的，相对于电解法炼镁而言，该法具有投资小、上
4、马快、还原温度较低、能利用多种热源、镁厂的规模大小灵活等特点，加之有廉价的能源和硅铁、还原性能较好的原料和廉价的劳动力，因此在我国采用皮江法炼镁可获得较高的经济效益。镁渣是用皮江法提取金属镁后排出的废渣，冶炼1吨金属镁，大约产出6.5-7.0吨镁废渣。其生产原理和过程是：主要原料白云石、硅铁（还原剂）、萤石（助熔剂）。往细磨的原料中添加2.5%左右的萤石，经混合后压成坚实的团块。生产方式为间歇式的，每个生产周期大约为，可分为个步骤：1）预热期：装料后，预热炉料，排除炉料中的二氧化碳与水分；2）低真空加热期：盖上蒸馏罐的盖子，在低真空条件下加热；3）高真空加热期：罐内真空度保持13.3Pa-13
5、3.3 Pa，温度达1200左右，时间保持9h左右。由于外面水箱的冷却作用，钢套的温度大约250，镁蒸气冷凝在钢罐中的钢套上。最终切断真空，将盖子打开，取出冷凝着镁的钢套，蒸馏后的残余物即为镁渣。 主要化学反应为：2MgO+2Ca0+Si(Fe) 2Mg+2CaO.SiO2+(Fe)硅铁是一种混合物，它是铁和硅所组成的一种合金，也可以所成是铁和硅所组成的溶液，所以，硅铁并没有固定的化学组成成分，铁与硅的比例可高可低，不同的组成有不同的用途，主要用于钢铁工业。混合物是没有分子式的。下面是硅铁的简介，供参考。 硅铁简介： 硅铁是以焦炭、钢屑、石英（或硅石）为原料，用电炉冶炼制成的。硅和氧很容易化合
6、成二氧化硅。所以硅铁常用于炼钢作脱氧剂，同时由于SIO2生成时放出大量的热，在脱氧同时，对提高钢水温度也是有利的。硅铁作为合金元素加入剂。广泛用于低合金结构钢、合结钢、弹簧钢、轴承钢、耐热钢及电工硅钢之中，以外硅铁在铁合金生产及化学工业中，常用作还原剂。含硅量达95%-99%。纯硅常用制造单晶硅或配制有色金属合金。冶炼 硅铁是以焦炭、钢屑、石英（或硅石）为原料，用电炉冶炼制成的。钢铁英才网传统炼制硅铁时，是将硅从含有SIO2的硅石中还原出来。冶炼硅铁大多使用冶金焦作还原剂，钢屑是硅铁的调节剂。 生产一吨硅铁原料及电能消耗为： 硅石：1780-1850kg 焦炭：890-930kg 钢屑：220
7、-230kg 电极糊: 45-55kg 电耗: 8400-9000kwh/t 应用 硅铁在钢工业、铸造工业及其他工业生产中被广泛应用。 硅铁是炼钢工业中必不可少的脱氧剂。炬钢中，硅铁用于沉淀脱氧和扩散脱氧。砖坯铁还作为合金剂用于炼钢中。钢中添加一定数量的硅，能显著提高钢的强度、硬度和弹性，提高钢的磁导率，降低变压器钢的磁滞损耗。一般钢中含硅0.15%-0.35%，结构钢中含硅0.40%1.75%，工具钢中含硅0.30%1.80%，弹簧钢中含硅0.40%2.80%，不锈耐酸钢中含硅3.40%4.00%，耐热钢中含硅1.00%3.00%，硅钢中含硅2%3%或更高。 高硅硅铁或硅质合金在铁合金工业中
8、用作生产低碳铁合金的还原剂。硅铁加入铸铁中可作球墨铸铁的孕育剂，且能阻止碳化物形成，促进石墨的析出和球化，改善铸铁性能。 此外，硅铁粉在选矿工业中可作悬浮相使用，在焊条制造业中作焊条的涂料；高硅硅铁在电气工业中可用制备半导体纯硅，在化学工业中可用于制造硅酮等。 在炼钢工业中，每生产一吨钢大约消耗35kg75%硅铁。 熔点：75SiFe为1300本文由 http:/ 提供，原文地址：http:/ 硅铁按硅及其杂质含量，分为十六个牌号，其化学成分如下表：（根据GB2277-87） 牌号 化学成分% Si Al Ca Mn Cr P S C 范围 不大于 FeSi90Al1.5 87.0-95.0
9、1.5 0.5 0.4 0.2 0.04 0.02 0.2 FeSi90Al3 87.0-95.0 3.0 0.5 0.4 0.2 0.04 0.02 0.2 FeSi75Al10.5-A 74.0-80.0 0.5 1.0 0.4 0.3 0.035 0.02 0.1 FeSi75Al10.5-B 72.0-80.0 0.5 1.0 0.5 0.5 0.04 0.02 0.2 FeSi75Al1.0-A 74.0-80.0 1.0 1.0 0.4 0.3 0.035 0.02 0.1 FeSi75Al1.0-B 72.0-80.0 1.5 1.0 0.5 0.5 0.04 0.02 0.2
10、FeSi75Al1.5-A 74.0-80.0 1.5 1.0 0.4 0.3 0.035 0.02 0.1 FeSi75 Al1.5-B 72.0-80.0 1.5 1.0 0.5 0.5 0.04 0.02 0.2 FeSi75 Al12.0-A 74.0-80.0 2.0 1.0 0.4 0.3 0.035 0.02 0.1 FeSi75 Al12.0-B 74.0-80.0 2.0 1.0 0.4 0.3 0.04 0.02 0.1 FeSi75 Al12.0-C 72.0-80.0 2.0 - 0.5 0.5 0.04 0.02 0.2 FeSi75-A 74.0-80.0 - -
11、0.4 0.3 0.035 0.02 0.1 FeSi75-B 74.0-80.0 - - 0.4 0.3 0.04 0.02 0.1 FeSi75-C 72.0-80.0 - - 0.5 0.5 0.04 0.02 0.2 FeSi65 65.0-72.0 - - 0.6 0.5 0.04 0.02 - FeSi45 40.0-47.0 - - 0.7 0.5 0.04 0.02 - 物理状态： 硅铁浇注厚度，FeSi75系列各牌号硅铁锭不得超过100毫米；FeSi65锭不得超过80毫米。硅的偏析不大于4%。大粒度：50-350mm，中粒度：20-200mm，小粒度：10100mm，最小粒度
12、：10-50mm，其中小粒度占90%以上。 本文由 http:/ 提供，原文地址：http:/ FeSi分子量: 83.93密度: g/cm3沸点: Cat760mmHg熔点: 1410C闪点: C石英石英化学式为SiO2。在自然界中的石英石的主要成份为石英，常含有少量杂质成分，如Al2O3，CaO，MgO等，它有多种类型。日用陶瓷原料所用的有脉石英、石英砂、石英岩、砂岩、硅石、蛋白石、硅藻土等，水稻外壳灰也富含SiO2。石英外观常呈无色、白色、乳白色、灰白半透明状态，莫氏硬度为7，断面具玻璃光泽或脂肪光泽，比重因晶型而异，变动于222265之间。跟普通砂子、水晶是“同出娘胎”的一种物质。当二
13、氧化硅结晶完美时就是水晶；二氧化硅胶化脱水后就是玛瑙；二氧化硅含水的胶体凝固后就成为蛋白石；二氧化硅晶粒小于几微米时，就组成玉髓、燧石、次生石英岩。 蔷薇石英石英是非可塑性原料，其与粘土在高温中生成的莫来石晶体赋予瓷器较高的机械强度和化学稳定性，并能增加坯体的半透明性，是配制白釉的良好原料。2.2 镁渣的化学成分及矿物组成表1为山西地区某镁厂排出镁渣的化学成分，镁渣外观颜色一般呈灰白色，粉末状，含有部分块状小颗粒，也有部分镁渣为块状废渣。表1 镁渣的化学组成CaOMgOFe2O3Al2O3SiO2Loss镁渣52.167.094.701.9432.050.12综合文献调研中全国其他地区的镁渣成
14、分，可以发现镁渣的主要成分为氧化钙和二氧化硅，CaO/SiO2为1.5-2.5之间，此比率是决定镁渣中硅酸盐矿物相组成的重要因素；镁渣中氧化镁含量一般在7%以上，有的镁厂排出的镁渣氧化镁含量高达25%。图1为镁渣的XRD图谱，从图中可知镁渣的主要矿物组成有-C2S、-C2S、MgO、CF、C2F、FeO、CaF2等。这主要是因为皮江法中团块外侧的还原效率很高，能达到90%以上，其主要成分为-C2S，而团块内部镁的还原效率通常小于85%，凡是还原效率达到85%的残渣（即-C2S），当温度由1200降至时675时，-C2S转变为-C2S，此时体积膨胀10%左右，残渣全部粉化，而其细度相当于水泥的细度，其色泽为灰
